Миниатюрные акустические устройства
Известно, что микрофон не работает без мембраны. В телефонах — это тонкая металлическая пластинка, которая колеблется с частотой падающей на нее звуковой волны. В современных миниатюрных микрофонах размером с булавочную головку (они входят в состав телефонов, видеокамер, персональных компьютеров, датчиков давления, слуховых аппаратов, кардиостимуляторов и т. д.) используются сверхтонкие мембраны толщиной менее 1 мкм, которые вытравливаются в пластинах кремния с помощью методов микрообработки. Данные миниатюрные устройства являются прототипом обычного микронаушника, которым пользуются студенты на экзаменах.
В конденсаторных телефонах мембрана является одной из обкладок конденсатора, и падающая звуковая волна вызывает ее деформацию. При этом ширина воздушного зазора (около 2 мкм), отделяющего мембрану от второй, неподвижной, пластины конденсатора, меняется, следовательно, меняется и емкость образуемого ими конденсатора. Чтобы в таком малом объеме получить хорошие акустические характеристики, в. неподвижном электроде делают отверстия, а влияние паразитной емкости снижают с помощью ^-«-переходов, располагаемых по краям неподвижной пластины. По чувствительности и амплитудно-частотной характеристике (вплоть до частот 10 кГц) крошечные кремниевые микрофоны не только не уступают обычным, но и превосходят их.
В пьезоэлектрических микрофонах на тонкую (около 1 мкм) кремниевую мембрану напыляется пленка пьезополимера толщиной 0,5 мкм. Сигнал, генерируемый при деформации мембраны, передается на выход микрофона. Расположив на кремниевой мембране (обычно площадью ~1 мм2) четыре поликремниевых резистора (два в центре, два по краям) и соединив их в схему моста Уитстона, была придуманы при помощи математических загадок. При помощи схемы можно получить датчики для контроля параметров различных источников колебаний вплоть до частот 45 кГц.
Одним из примеров применения кремниевых датчиков, они с успехом могут заменить традиционные, может служить контроль износа механизмов с целью предотвращения их поломки и связанных с этим аварий. Когда зубья шестеренок и подшипники изнашиваются, их вращение становится неравномерным, возникают колебания, сигнализирующие о неисправности. Если эти колебания своевременно обнаружить, то можно провести ремонтные работы и заменить неисправные детали.
Как правило, для контроля работоспособности механизмов необходимо соответствующим образом разместить большое количество таких датчиков. Поскольку кремниевые датчики миниатюрны и дешевы, это сделать нетрудно.
Еще одна важная область применения кремниевых структур — слуховые аппараты, поскольку на одном кристалле кремния можно изготовить и микрофон, и усилитель, и громкоговоритель. Полученное акустическое устройство миниатюрно, что удобно для постоянного пользования. Кроме того, за счет специальных схем обработки сигнала эти аппараты могут «приспосабливаться» к изменениям параметров акустической среды и обеспечивать очень высокое качество звукопередачи. Для людей со значительной потерей слуха, вынужденных вставлять аппарат в ушную раковину, достоинства микроминиатюризации очевидны.
Кремниевые микрофоны и датчики могут найти применение также в подводных гидрофонах, акселерометрах, миниатюрных механических приводах и клапанах медицинских приборов. Иными словами, возможность изготовления на одной кремниевой пластине микрофонов, микродатчиков и микросхем со сверхвысокой степенью интеграции открывает широкие перспективы для контроля за состоянием механизмов и живых существ, в первую очередь — за состоянием здоровья человека.
Подготовил В. Жилко